NeuroLogTwee ogen, één beeld: Hoe je brein bewust wordt
Wij hebben twee ogen. Het beeld dat binnenkomt in elk oog is niet helemaal hetzelfde – al zijn de verschillen meestal klein. Toch nemen we bewust maar één beeld waar. Voor ons bewustzijn is er één beeld, geen twee. Deze eigenschap van ons visueel systeem wordt door wetenschappers gebruikt om inzicht te krijgen in hoe bewustzijn tot stand komt in onze hersenen.
Hiervoor creëren wetenschappers uitzonderlijke omstandigheden waarin een helemaal ander beeld gepresenteerd wordt aan elk oog. Deze twee beelden gaan dan met elkaar in competitie, wat in het Engels “binocular rivalry” (binoculaire rivaliteit) genoemd wordt. Ik zal dit eventjes illustreren met de onderstaande cijfers, een blauwe ‘5’ en een rode ‘2’. Een methode om hiermee binoculaire rivaliteit te creëren die bij de meeste mensen gaat werken, is door twee WC-rolletjes te nemen. Zet de twee rolletjes vlak naast elkaar, één over elk cijfer, en kijk met je ogen door de rolletjes zoals door een verrekijker. Na een korte tijd zullen de twee cijfers in elkaar vloeien en zie je maar één stimulus meer. Je kunt ook een kaft/karton tussen beide cijfers zetten en met één oog naar elk cijfer kijken door je gezicht tegen de kaft te zetten, maar of je dan rivaliteit krijgt hangt van je manier van kijken af (je kan het altijd eens proberen als je geen WC-rolletjes kunt bemachtigen). Als het werkt, dan zie je niet langer twee karakters, maar wel één beeld dat in de tijd verandert. Blijf rustig een tijdje kijken (enkele tientallen seconden). Soms ga je alle lijnen zien staan, maar niet altijd. Soms zie je misschien zelfs ofwel een ‘2’, ofwel een ‘5’. Wat je ziet, verandert in de tijd en je lijkt er weinig controle over te hebben. Werkt het?
Hieronder staat een gewijzigde set van karakters, nu is het een blauwrode ‘3’ naast een blauwrode ‘E’. Maar zodra je een tijd door de WC-rolletjes kijkt, merk je dat je waarneming erg gelijkaardig is als in het eerste voorbeeld met een ‘5’ en een ‘2’.
Er zijn nog heel wat andere voorbeelden van rivaliteit tussen mogelijke waarnemingen. Meestal gaat het dan over één beeld (monoculaire rivaliteit) dat op verschillende manieren kan geïnterpreteerd worden. Hieronder staan twee voorbeelden. Vlak hieronder staat een stimulus die zowel als een rat of als een mensen-hoofd kan geïnterpreteerd worden. Het is telkens maar mogelijk om één van beide interpretaties te zien, ze zijn “mutueel exclusief”. Bijvoorbeeld, de onderste lijn is ofwel een staart, ofwel de onderkant van het hoofd, maar het lijkt onmogelijk om het als beide te zien.
Hierin is het laatste voorbeeld van vandaag wat anders. Hieronder staat een reeks stimuli waarvan de middelste op twee manieren kan gezien worden, in dit geval als een huis of als een gezicht (stimuli gemaakt door Elfi Goesaert van de K.U.Leuven). Maar deze interpretaties lijken minder tegenstrijdig omdat beide interpretaties vertrekken van dezelfde vorm. Men zou dit een huis kunnen noemen dat in zijn structuur lijkt op een gezicht. Zulk een bewoording is niet echt geschikt voor het bovenstaande rat/mens voorbeeld.
Hoe mooi deze monoculaire voorbeelden ook zijn, ze zijn misschien niet zo intrigerend als binoculaire rivaliteit omdat we meer vat lijken te hebben op de monoculaire stimuli. We kunnen welgemikt gaan ‘zoeken’ naar de mogelijke interpretaties, terwijl de binoculaire rivaliteit meer “tot ons” komt. Daarom is binoculaire rivaliteit misschien wel het mooiste voorbeeld van de dynamische werking van je brein. Je bewuste waarneming, en de overgang van de ene waarneming naar een andere, is te wijten aan wat er zich in je hoofd afspeelt, en is niet zomaar een eenvoudig gevolg van de binnenkomende beelden. Dit paradigma van binoculaire rivaliteit wordt dan ook gebruikt om inzicht te verwerven in de dynamische (in de tijd veranderende) processen die zich in je hoofd afspelen en die leiden tot de inhoud van ons bewustzijn.
Een eerste interessant gegeven is dat de informatie van de twee ogen een hele tijd gescheiden verwerkt wordt. In de ogen zelf (retina), evenals in het volgende tussenstation, de thalamus. De informatie komt dus gescheiden binnen in de hersenschors, meer specifiek in de primaire visuele hersenschors. Daar wordt deze informatie vrij snel gemengd, en de meeste hersencellen in de hersenschors hebben dan ook geen benul van wat er in elk oog apart binnenkwam. Dat komt dus overeen met onze bewuste waarneming: net als wijzelf ‘zien’ deze hersencellen één beeld, en het is voor deze hersencellen, net als voor ons, onmogelijk om uit te maken of dat beeld van het linkeroog komt, van het rechteroog, een mengvorm is van twee verschillende beelden, dan wel of beide ogen hetzelfde beeld binnen kregen.
In de wetenschappelijke literatuur is er echter veel discussie over hoe deze bewuste waarneming tot stand komt. Er bestaat een heel continuüm aan wetenschappelijke hypotheses, maar er zijn twee uitersten te onderscheiden. Allereerst zou het kunnen dat het de twee monoculaire inputs zijn die in competitie treden, waarbij er over de tijd telkens een andere input wint. Dit zou zich dan in de hersenen afspelen op een niveau waarin cellen nog ‘weten’ welke input van welk oog komt, dus bijvoorbeeld in de thalamus of in de primaire visuele hersenschors.
Een andere mogelijkheid is echter dat het de voorstellingen van de twee getoonde beelden zijn die in competitie treden. Dus als er een ‘2’ en een ‘5’ getoond worden, dan gaan hersencellen die coderen voor de ‘2’ in competitie met cellen die coderen voor de ‘5’. Deze cellen weten echter niet welke stimulus aan welk oog werd aangeboden. De meest waarschijnlijke optie, zoals zo vaak, is dat beide extremen een beetje waar zijn, en dat binoculaire rivaliteit te wijten is aan een combinatie van competitie tussen monoculaire representaties en competitie tussen complexe patroon representaties.
Neurofysiologische studies suggereren inderdaad dat binoculaire rivaliteit een gevolg is van een samenspel van meerdere processen, wat vooral blijkt uit de betrokkenheid van vele hersengebieden, waaronder zowel monoculaire als binoculaire representaties. Er is heel wat werk verricht naar de neurofysiologie van binoculaire rivaliteit. De bekendste reeks studies werd uitgevoerd door Nikos Logothetis en David Leopold. Zij leerden rhesus-apen om aan te geven welke vorm (bv., vierkant, ster, …) ze zagen in een situatie waarin een andere vorm werd aangeboden aan elk oog. Terzelfdertijd registreerden ze de activiteit van hersencellen (neuronen) op verschillende plaatsen in de hersenschors.
In de primaire visuele hersenschors vonden ze dat deze activiteit niet echt meeging met de bewuste waarneming, terwijl zulk een relatie tussen waarneming en activiteit wel gevonden werd in ‘hogere’ hersengebieden die indirect verbonden zijn met de primaire visuele hersenschors. Dit wijst erop dat de bewuste waarneming geleidelijk opgebouwd wordt. Er zijn echter ook indicaties voor invloeden zijn in de andere richting, namelijk dat de ‘hogere’ hersengebieden signalen terugsturen naar de primaire visuele hersenschors over wat er bewust waargenomen wordt, en dat deze informatie interageert met de monoculaire (oog-specifieke) input die in de hersenschors binnenkomt (Tong et al., 2006). Er is dus een vrij complexe machinerie betrokken bij het tot stand brengen van de bewuste waarneming.
Binoculaire rivaliteit is zulk een krachtige demonstratie van het onderscheid tussen visuele input en bewuste gewaarwordingen, dat de bevindingen ook buiten de waarnemingspsychologie en hersenwetenschappen implicaties hebben. Dit leidt tot interessante combinaties.
Een mooi voorbeeld is een artikel van enkele jaren geleden in het tijdschrift Nature. Hierin vertrekken Christof Koch en Klaus Hepp van een gedachte-experiment van de befaamde fysicus Schrödinger waarmee hij enkele basis-principes van de kwantum-mechanica illustreerde, zoals indeterminisme en super-positie. Dit experiment start met een gesloten doos met daarin de kwantum-superpositie van een dode en een levende kat. Beide bestaan tegelijk in het kwantum-systeem dat een ingebouwde onzekerheid heeft, tot een waarnemer in de doos kijkt en daarvan de inhoud meet – op dat ogenblik wordt het een deterministisch systeem waarin het lot van de kat exact bepaald is. Deze waarnemer zal dan ofwel de levende ofwel de dode kat waarnemen.
Maar stel nu dat de waarnemer maar met één oog in de doos kijkt, en met zijn andere oog naar iets anders, pakweg een gezicht op een computerscherm. Wat gebeurt er dan met het kwantum-systeem op een moment dat de waarnemer bewust is van het gezicht en niet van de kat? Als bewuste waarneming noodzakelijk is, dan blijft het lot van de kat indeterministisch. Maar als het voldoende is dat het licht (fotonen) van de kat het oog van de waarnemer bereiken en dus de receptoren in het oog activeren, dan is dat een voldoende voorwaarde om het lot van de kat deterministisch vast te pinnen.
Doet psychologie bij deze zijn intrede in de meest fundamentele fysische modellen? Fysici wezen gewaarschuwd: van zodra je een concept in je theorie binnenbrengt dat inherent subjectief is (subjectief = afhangend van de waarnemer), dan wordt je meteen in het zwarte gat van de mens-wetenschappen gezogen. En mens- en cultuurwetenschappers hebben geen Einstein nodig om te weten dat alles relatief is …
Wat verdere literatuur:
Tong, F., Meng, M. & Blake, R. (2006) Neural bases of binocular rivalry. Trends in Cognitive Sciences. 10, 502-511.
Koch & Hepp, 2006, Nature, beschikbaar via volgende link: http://www.klab.caltech.edu/news/koch-hepp-06.pdf
Meer inforrmatie over Schrödinger’s kat: http://nl.wikipedia.org/wiki/Schrödingers_kat
